數(shù)字測量PPT課件

1、4.1.1 數(shù)字電壓表組成及主要性能指標1.1.數(shù)字電壓表的組成 直流數(shù)字電壓表主要由模擬電路部分和數(shù)字電路部分組成，如圖所示: 各部分電路的主要功能如下： 1)輸入電路：對輸入電壓衰減/放大、變換等。 2)A/D轉(zhuǎn)換器：是核心部件，實現(xiàn)模擬電壓到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。 3)計數(shù)器和顯示器：計數(shù)并顯示模擬電壓數(shù)字量的結(jié)果。 4)邏輯控制電路：在統(tǒng)一時鐘作用下，完成內(nèi)部電路的協(xié)調(diào)有序工作。第1頁/共61頁 由于在數(shù)字電壓表中使用A/D轉(zhuǎn)換器的目的是把被測電壓換成與之成比例的數(shù)字量，因而是一個電壓數(shù)字（V/D）轉(zhuǎn)換器。 電壓數(shù)字轉(zhuǎn)換是一種最基本、最常用的A/D轉(zhuǎn)換方式。 由于實現(xiàn)電壓數(shù)字轉(zhuǎn)換的原理和方案有

2、很多種，因而相應地，也有各種不同類型的數(shù)字電壓表。 數(shù)字電壓表中最通用、最常見的是直流數(shù)字電壓表，在此基礎(chǔ)上，配合各種適當?shù)妮斎朕D(zhuǎn)換裝置（如交流直流轉(zhuǎn)換器、電流電壓轉(zhuǎn)換器、歐姆電壓轉(zhuǎn)換器、相位電壓轉(zhuǎn)換器、溫度電壓轉(zhuǎn)換器等），可以構(gòu)成能測交流電壓的交流數(shù)字電壓表，能測電壓、電流、電阻的數(shù)字多用表，以及測相位、溫度、壓力等多種物理量的多功能數(shù)字儀器。第2頁/共61頁2.2.主要性能指標(1)測量范圍)量程 量程的擴大借助于分壓器和輸入放大器來實現(xiàn)，其中不經(jīng)衰減和放大的量程稱為基本量程，基本量程也是測量誤差最小的量程。)位數(shù) 位數(shù)是表征數(shù)字電壓表性能的一個最基本的參量。數(shù)字電壓表的位數(shù)分為完整顯示位

3、和非完整顯示位。能夠顯示09的10個數(shù)碼的顯示位是完整顯示位，而在最高位上，可以采用只能顯示0和1的非完整顯示位，俗稱半位。 如：4位顯示、 位142第3頁/共61頁)超量程能力 超量程能力是數(shù)字電壓表的一個重要性能指標。 有了超量程能力，當被測量超過正規(guī)的滿度量程時，讀取的測量結(jié)果就不會降低精度和分辨率。 如：滿量程為10V的4位數(shù)字電壓表，當其輸入電壓從9.999V變成10.001V時，若數(shù)字電壓表沒有超量程能力，則必須換用100V量程擋，從而得到“10.00V”的顯示結(jié)果，這樣就丟失了0.001V的信息。 此外，也常用百分數(shù)來表示超量程能力，如： 位（2000）比3位（1000）有100

4、%的超量程能力。 位和基本量程結(jié)合，能說明DVMDVM有無超量程能力。132第4頁/共61頁(2)分辨率 指DVM能夠顯示被測電壓的最小變化值，即顯示器末位跳變一個字所需的最小輸入電壓。 顯然，在不同的量程上，數(shù)字電壓表的分辨率是不同的。在最小量程上，數(shù)字電壓表具有最高的分辨率，常把最高分辨率作為數(shù)字電壓表的分辨率指標。 分辨率可以用量程除以最大顯示值來求取。 由于分辨率與數(shù)字電壓表中A/D的位數(shù)有關(guān)，位數(shù)越多，分辨率越高，故有時稱具有多少位的分辨率。 分辨率越高，被測電壓越小，電壓表越靈敏，故有時把分辨率稱做靈敏度。 DVM的分辨率不同于準確度。前者表征儀表的“靈敏性”，即對微小電壓的“識別

5、”能力；后者反映測量的“準確性”，即測量結(jié)果與真值之間的一致程度。第5頁/共61頁(3)測量速度 指每秒鐘能完成的測量次數(shù)，它主要取決于DVM所使用的A/D。積分型DVM速度較低，一般在幾次/秒幾百次/秒之間，逐次比較型DVM可達每秒一百萬次以上。(4）輸入阻抗 在直流測量時，DVM輸入阻抗用輸入電阻Ri表示，一般在10M到1000M之間。（5）工作誤差 DVM的工作誤差通常用絕對誤差表示 幾個字（末位） 其中Ux為測量示值，Um為該量程滿度值， 為讀數(shù)誤差。 為滿度誤差，它與被測電壓大小無關(guān)，而與所取量程有關(guān)，當量程選定后，顯示結(jié)果末位1個字所代表的電壓值也就一定，因此滿度誤差通常用正負幾個

6、字表示。%xmxUUUU xU%mU%第6頁/共61頁4.1.2 A/D轉(zhuǎn)換原理 目前各類數(shù)字電壓表主要區(qū)別是AD轉(zhuǎn)換方式。AD轉(zhuǎn)換包括對模擬量取樣，再對取樣值進行整量化處理，最后通過編碼等實現(xiàn)轉(zhuǎn)換過程，按其基本工作原理主要分為積分型和非積分型兩大類。 1 1雙積分式A AD D轉(zhuǎn)換器 基本的雙積分式AD轉(zhuǎn)換器由模擬電路和數(shù)字電路兩部分構(gòu)成。圖4-2 雙積分式AD轉(zhuǎn)換器原理框圖第7頁/共61頁a) 輸入電壓為正時，接入負基準電壓 b) 輸入電壓為負時，接入正基準電壓圖4-3 雙積分式AD轉(zhuǎn)換器第8頁/共61頁 雙積分式AD轉(zhuǎn)換器的特點如下： 1)對積分器R、C元件及時鐘信號的穩(wěn)定性和準確度要求

7、不高。 2）對參考電壓Ur的穩(wěn)定性和準確度要求很高。 3)抗干擾能力強。因為積分器對輸入信號有平均作用，DVM輸入端的干擾信號也是以平均值方式作用的，所以如果取取樣周期T1為干擾周期的整數(shù)倍，則可以使由干擾引起的影響趨于零。通常在DVM中干擾影響最大的是50Hz工頻分量，因此取樣期T1時間一般為20ms的整數(shù)倍。 4)測量速度慢。為了抑制電源50Hz工頻干擾，一般T1取20100ms，再加上T2時間，故測量速率一般只有530次秒。 第9頁/共61頁 2. 2. 逐次逼近比較式A AD D轉(zhuǎn)換器 逐次逼近比較式AD轉(zhuǎn)換器的基本原理是用被測電壓和一可變的已知電壓(基準電壓)進行比較，直至達到平衡，

8、測出被測電壓。 所謂逐次逼近比較，就是將基準電壓分成若干基準碼，未知電壓按指令與最大的一個碼(通過DA轉(zhuǎn)換)比較，逐次漸小，比較時大者棄，小者留，直至逼近被測電壓。 （1）對分搜索 逐次逼近比較式AD變換采用一種對分搜索的策略，其過程類似于天平稱重的平衡過程。 原則：大于棄，不大于則留。第10頁/共61頁（2）DA轉(zhuǎn)換器 DA轉(zhuǎn)換器相當于電子砝碼，逐次逼近寄存器由移位寄存器和數(shù)碼寄存器及一些門電路組成，它在時鐘脈沖作用下逐次提供代表不同基準電壓的基準碼，并通過DA轉(zhuǎn)換器輸出量化的基準電壓，后者加到比較器與Ux相比較，用來代替人工進行操作的過程。 第11頁/共61頁 實際的DA轉(zhuǎn)換器當然要復雜得

9、多，如位數(shù)都是8位以上，模擬開關(guān)采用場效應管做的程控開關(guān),權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)為或T型電阻網(wǎng)絡(luò)等，如圖4-7所示。其輸出電壓表達式為：圖4-7 DA轉(zhuǎn)換器原理框圖第12頁/共61頁第13頁/共61頁（3）逐次逼近比較式AD轉(zhuǎn)換原理 設(shè)被測電壓Ux=6V，比較器的特性類似于天平，當UoUx時，輸出為“0”；當UoUx時，輸出為“l(fā)”。整個工作過程與大平稱重類同，其中DA轉(zhuǎn)換器輸出電壓Uo向Ux的逼近的過程也與圖4-5一樣，只不過將重量W換成電壓U，比較過程記錄如表4-2所示。 表4-2 DA轉(zhuǎn)換過程記錄第14頁/共61頁 若用做DVM，只要將SAR的輸出數(shù)據(jù)送經(jīng)譯碼器，然后以十進制數(shù)顯示被測結(jié)果。 由于D

10、A變換器輸出的基準電壓是量化的，因此，AD轉(zhuǎn)換精度主要決定于DA轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。 逐次逼近比較式AD轉(zhuǎn)換器的準確度，由基準電壓、D/A轉(zhuǎn)換器和比較器的漂移等決定，其變換時間與輸入電壓大小無關(guān)，僅由它的輸出數(shù)碼的位數(shù)和時鐘頻率決定。這種AD轉(zhuǎn)換器能兼顧速度、精度和成本三個主要方面的要求。 總的說來逐次逼近比較式AD轉(zhuǎn)換器由于采用對分搜索逐次逼近的直接比較方法，因此轉(zhuǎn)換速度較快，但由于直接與被測電壓比較，也容易受到干擾。第15頁/共61頁4.1.3 數(shù)字多用表 數(shù)字多用表(DMM，Digital Multi Meter)是具有測量直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流及電阻等多種功能的數(shù)字測量儀器。

11、 數(shù)字多用表以測量直流電壓的直流數(shù)字電壓表為基礎(chǔ)，并通過交流-直流(AC-DC)電壓轉(zhuǎn)換器、電流-電壓(I-U)轉(zhuǎn)換器、電阻-電壓(R-U)轉(zhuǎn)換器，把交流電壓、電流和電阻轉(zhuǎn)換成直流電壓，如圖4-8所示。圖4-8數(shù)字式多用表組成第16頁/共61頁 由于直流數(shù)字電壓表是線性化顯示的儀器，因此要求其前端配接的ACDC、IU 、 RU等變換器也必須是線性變換器，即變換器的輸出與輸入間成線性關(guān)系。1. 1. 交流- -直流(AC-DC)(AC-DC)轉(zhuǎn)換器 交流電壓的幅度可用平均值、有效值、峰值來表示，數(shù)字多用表中的線性ACDC變換器主要有平均值A(chǔ)CDC和有效值A(chǔ)CDC轉(zhuǎn)換器。 平均值A(chǔ)C-DC轉(zhuǎn)換器通

12、常利用負反饋原理克服檢波二極管的非線性以實現(xiàn)線性AC-DC轉(zhuǎn)換。 在DMM中，AC-DC的變換主要按真有效值的數(shù)學定義用集成電路實現(xiàn)。因為 (4-10) 利用模擬運算電路實現(xiàn)有效值電壓的測量，即直接利用集成乘法器、積分器等實現(xiàn)電壓有效值測量。201( )Tx rmsxUu t dtT第17頁/共61頁2.2.電流- -電壓(I-U)(I-U)轉(zhuǎn)換器 將直流電流I。變換成直流電壓最簡單的方法，是讓該電流流過標準電阻Rs，根據(jù)歐姆定律， Rs上端電壓Ux = IxRs，從而完成了IV線性轉(zhuǎn)換。3.3.電阻- -電壓(R-U)(R-U)轉(zhuǎn)換器 實現(xiàn)電阻-電壓(R-U) 轉(zhuǎn)換的方法有多種，恒流法R-U

13、變換器是最常用的一種，即在被測的未知電阻Rx中流過已知的恒定電流Is時，在Rx上產(chǎn)生的電壓降為U = RxIs，故通過恒定電流可實現(xiàn)R-U轉(zhuǎn)換。第18頁/共61頁4.1.4 電壓測量的干擾與抑制技術(shù) 在實際的電壓測量中，由于噪聲和干擾信號的存在，很難實現(xiàn)電壓的精密測量，尤其是對微小電壓的精密測量。1.1.電壓測量的干擾 除了儀表自身的各種因素以外，外部電磁干擾等也是引起電壓測量誤差的重要因素，這類誤差依賴于測量環(huán)境的狀況，屬于附加誤差。干擾與信號共同作用在電壓儀表的輸入端，使儀表讀數(shù)偏離被測量。干擾作用于儀表的基本方式包括通過信號線傳導、電源線傳導、電磁輻射直接作用于儀表內(nèi)部三種。 信號線傳導

14、干擾中包括被測信號源輸出信號的非理想特性以及各種空間電磁信號通過電容或電感效應在信號導線上產(chǎn)生的感生信號。根據(jù)耦合效果的不同，干擾分為串模干擾和共模干擾兩種。 第19頁/共61頁2.2.串模干擾及其抑制 P.90P.90 串模干擾的基本抑制方法有輸入濾波法和積分平均法。這兩種方法都是在一定程度上削弱信號中的高頻分量，這將影響儀表對被測信號的響應速度，降低讀數(shù)速率。其中積分平均法在對高頻成分進行削弱的同時還能對某些頻率的干擾信號專門進行抑制，這在對工頻干擾的抑制方面具有重要意義。3.3.共模干擾及其抑制 P.92P.92 儀表對共模干擾的抑制能力可用共模抑制比(CMRR)表示。共模抑制比定義為

15、式中： 為系統(tǒng)的共模干擾電壓； 為共模干擾電壓在儀表輸入端引入的等效串模干擾電壓；CMRR的單位為dB。CMRR20lgcmcnUUcmUcnU第20頁/共61頁時間有兩個含義： “時刻”：即某個事件何時發(fā)生； “時間間隔”：即某個時間相對于某一時刻持續(xù)了多久。周期：是指同一事件重復出現(xiàn)的時間。T（秒s）頻率：周期信號在單位時間（1s）內(nèi)周期性事件重復的次數(shù)，單 位是赫茲（Hz）。時間與頻率的關(guān)系：頻率和周期（時間）是從不同側(cè)面來描述周 期性現(xiàn)象的，兩者在數(shù)學上互為倒數(shù)。fN/T 實際上，兩者公用同一基準來進行比對和測量。以電子表為例，可見時間準確度取決于頻率準確度，其標準是等同的。4.2 時

16、間與頻率的數(shù)字測量 時頻關(guān)系第21頁/共61頁 時間的單位是秒（s）。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，“秒”的定義曾做過三次重大的修改。世界時（UT）秒：最早的時間（頻率）標準是由天文觀測得到的，以地球自轉(zhuǎn)周期為標準而測定的時間稱為世界時（UT）。定義地球自轉(zhuǎn)周期的1/86400作為世界時的1s。原子時（AT）秒：利用原子能級躍遷頻率作為計時標準。1972年1月1日零時起，時間單位由天文秒改為原子秒。這樣，時間標準改為由頻率標準來定義，其準確度可達510-14量級，是所有其他物理量所遠遠不能及的。協(xié)調(diào)世界時（UTC）秒：是原子時和世界時折中的產(chǎn)物，即用閏秒的方法來對天文時進行修正?，F(xiàn)在，各國標準時號發(fā)播臺

17、所發(fā)送的就是世界協(xié)調(diào)時，其準確度優(yōu)于210-11量級。 時頻基準第22頁/共61頁 石英晶體振蕩器電子計數(shù)器內(nèi)部時間、頻率基準采用石英晶體振蕩器（簡稱“晶振”）為基準信號源。基于壓電效應產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率輸出。但是晶振頻率易受溫度影響，普通晶體頻率準確度為10-5。采用溫度補償或恒溫措施可得到高穩(wěn)定、高準確的頻率輸出。晶體振蕩器的主要指標有:輸出頻率:1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz。 日波動:210-10；日老化:110-10；秒穩(wěn):510-12。輸出波形:正弦波；輸出幅度:0.5Vrms(負載50)。第23頁/共61頁幾種不同類型的晶體振蕩器指標晶振類型輸出頻率(MHz)日穩(wěn)定度準

18、確度普通1，1010-510-610-5溫度補償1，5，1010-610-710-6單恒溫槽1，2.5，5，1010-710-910-610-8雙恒溫槽2.5，5，1010-910-11優(yōu)于10-8第24頁/共61頁4.2.1 時間與頻率測量的特點 1)時頻測量具有動態(tài)性質(zhì)。必須重視信號源和時鐘的穩(wěn)定性及其他一些反映頻率和相位隨時間變化的技術(shù)指標。 2)測量精度高?？蓪⑵渌锢砹哭D(zhuǎn)換為頻率進行測量，使其測量精度得以提高。 3)測量范圍廣。 4)頻率信息的傳輸和處理比較容易。第25頁/共61頁 4.2.2 頻率測量的方法 根據(jù)測量原理的分類，測頻方法主要有以下幾種： 1)諧振法：利用LC回路的諧

19、振特性進行測頻(如諧振式波長表可測無源LC回路的固有諧振頻率)，測頻范圍為0.51500MHz。 2)外差法：改變標準信號頻率，使它與被測信號混合，取其差頻，當差頻為零時讀取頻率。這種外差式頻率計可測高達3000 MHz的微弱信號的頻率，測頻精確度為10-6左右。 3)示波法：在示波器上根據(jù)李沙育圖形或信號波形的周期個數(shù)進行測頻。這種方法的測量頻率范圍從音頻到高頻信號皆可。 4)4)電子計數(shù)器法：直接計數(shù)單位時間內(nèi)被測信號的脈沖數(shù)，然后以數(shù)字形式顯示頻率值。這種方法測量精確度高、快速，適合不同頻率、不同精確度測頻的需要。第26頁/共61頁4.2.3 電子計數(shù)法測量頻率1.1.基本原理第27頁/

20、共61頁第28頁/共61頁第29頁/共61頁與與門門T TA AT TB BT TA AT TB BA AB BC C2.2.組成框圖第30頁/共61頁主要由下列四部分組成： （1）時間基準T 這部分的作用就是提供準確的計數(shù)時間T。它一般由高穩(wěn)定度的石英晶體振蕩器、分頻整形電路與門控(雙穩(wěn))電路組成。 閘門時間脈沖 時基電路具有兩個特點：標準性：閘門時間準確度應比被測頻率高一個數(shù)量級以上，故通常晶振頻率穩(wěn)定度要求達10-610-10。多值性：閘門時間T不一定為1s，應讓用戶根據(jù)測頻精度和速度的不同要求自由選擇，如10ms，0.1s，1s，10s等。第31頁/共61頁 （2）輸入電路（計數(shù)脈沖產(chǎn)

21、生電路） 它一般由放大整形電路和主門電路組成。 （3）計數(shù)顯示電路 這部分電路的作用，就是累計被測周期信號重復的次數(shù)，顯示被測信號的頻率。 它一般由計數(shù)電路、邏輯控制電路、譯碼器和顯示器組成。 （4）控制電路 控制電路的作用是產(chǎn)生各種控制信號，去控制各電路單元的工作，使整機按一定的工作程序完成自動測量的任務。第32頁/共61頁3.3.誤差分析計算第33頁/共61頁第34頁/共61頁第35頁/共61頁第36頁/共61頁第37頁/共61頁第38頁/共61頁4.2.4 電子計數(shù)法測量周期1.1.基本原理第39頁/共61頁 第40頁/共61頁2.2.誤差分析第41頁/共61頁第42頁/共61頁 被測信

22、號在整形過程中，由于整形電路本身觸發(fā)電平的抖動或者被測信號疊加有噪聲和各種干擾信號等原因，使得整形后的脈沖周期不等于被測信號的周期，由此而產(chǎn)生的誤差稱為觸發(fā)誤差。 如圖所示，疊加有噪聲或干擾信號時，閘門的開啟時間顯然不等于被測信號的周期，這樣就產(chǎn)生了觸發(fā)誤差。 3.3.觸發(fā)轉(zhuǎn)換誤差觸發(fā)電平VB0A1A1A2A2干擾信號干擾信號Tx閘門開啟閘門關(guān)閉T1T2Tx=T1+Tx+T2被測信號圖5.3-3觸發(fā)誤差產(chǎn)生示意圖第43頁/共61頁觸發(fā)電平VB0A1A1A2A2干擾信號干擾信號Tx閘門開啟閘門關(guān)閉T1T2Tx=T1+Tx+T2被測信號圖5.3-3觸發(fā)誤差產(chǎn)生示意圖第44頁/共61頁 觸發(fā)誤差對測

23、量周期的影響較大，而對測量頻率的影響較小，所以測頻時一般不考慮觸發(fā)誤差的影響。 這是因為測頻時用來產(chǎn)生門控信號的是標準的晶振信號，疊加的干擾信號很小，故可以忽略觸發(fā)誤差的影響；而產(chǎn)生計數(shù)脈沖的被測信號中雖然有干擾信號，但不影響對計數(shù)脈沖的計數(shù)，故不產(chǎn)生觸發(fā)誤差。 為了減小測周時觸發(fā)誤差的影響，除了盡量提高被測信號的信噪比外，還可以采用多周期測量法測量周期，即增大門控信號周期擴大倍數(shù)。第45頁/共61頁第46頁/共61頁4.2.7 減小計數(shù)器1誤差的方法1多周期測量 從圖可見，兩相鄰周期由于轉(zhuǎn)換誤差所產(chǎn)生的T是互相抵消的，當測10個周期時，只有第一個周期開始產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差 和第10個周期終了產(chǎn)生

24、的 才產(chǎn)生測周誤差。這樣，10個周期引起的總誤差與測一個周期產(chǎn)生的誤差一樣,得到一個周期的誤差減小為原來的110。 此外，由于周期倍增后計數(shù)器計得的數(shù)也增加到 倍，這樣，由1誤差所引起的測量誤差也可減小為原來的 。因此，在多周期測量模式下，測周誤差表達式要進行修正，令周期倍增系數(shù)為 ，則 1T2T10n1/10n10nk 112xcnxxccmTfUTkT ffUk 第47頁/共61頁4.2.5 中界頻率 P.100第48頁/共61頁圖5.145.14中給出了不同閘門時間：0.1s0.1s、1s1s、10s10s和不同標準頻率：10MHz10MHz、100MHz100MHz、1000MHz10

25、00MHz三種情況的交叉曲線?，F(xiàn)以T=1sT=1s， cf=100MHz為例，可查知為例，可查知 Mf=10kHz。 f f100MHz100MHz測頻誤差與測周誤差測頻誤差與測周誤差1Hz1Hz1KHz1KHz1MHz1MHz1010-8-81010-7-71010-6-61010-5-51010-4-41010-3-31010-2-21010-1-11 110S10ST=1ST=1S0.1S0.1Sf fc c=10MHz=10MHzf fc c=1GHz=1GHzf fc c=100MH=100MHz z測頻的誤差測頻的誤差測周的誤差測周的誤差Mf100MHz100MHz第49頁/共61頁第50頁/共61頁第51頁/共61頁第52頁/共61頁第53頁/共61頁4.4 阻抗的數(shù)字測量 20世紀70年代后，內(nèi)含微處理器的智能化矢量電壓電流法成為阻抗測量的發(fā)展主流。 矢量電流電壓法是最經(jīng)典的方法，它直接來自于阻抗的定義。根據(jù)歐姆定律，阻抗可以看成是電路中電壓與電流之比，在正弦交流的情況下，電壓與電流的比值是復數(shù)，于是阻抗表示成： .UZRjXI4.